Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

169

Гидравлические режимы натурных испытаний практически

совпадали с теми, что использовались в 1986 году.

Продолжительность сбросов не ограничивалась только про-

граммой натурных испытаний, она диктовалась условиями пропуска

строительных расходов (рис. 2.57).

Приборы регистрировали постепенное увеличение вибрации

блоков Г-9-4 до 150 мкм, Г-6-4 до 200 мкм. Максимальный сбросной

расход достиг 4400 м

/с, и открытие водосбросов доводилось до 100%.

В результате интенсивно нарастала вибрация горизонтального на-

правления в блоках Г-9-4 и Г-8-4, где размах (не стандарт) вибро-

перемещений достиг соответственно 2600 и 550 мкм, а в зоне

воздействия от водосбросов № 43 и 44 в блоке Г-6-4 вибрация

превысила 1000 мкм.

В результате была вновь разрушена часть восстановленной

конструкции дна, площадь разрушений составляла 15% от общей

площади дна колодца. Ширина зоны повреждения составляла

25-30 м, длина 60-65 м, глубина до 10 м. Объём вынесенного бетона

составил около 10 тыс. м

. Общий объём разрушенного, вынесенного

потоком и вывезенного бетона при разборке плит крепления за весь

период ремонтно-реконструктивных работ составил 53,2 тыс. м

, или

12,3% из общего геометрического объёма водобойных устройств

(431 тыс. м

Данные показаний приборов полностью отразили натурное

состояние поврежденного крепления дна водобойного колодца и

позволили представить чёткую картину происходящего процесса

разрушения.

На участке примыкания сбросного потока к поверхности дна

колодца в межблочные швы проникают осредненная и пульсационая

составляющие гидродинамического давления. Дальше на верховой

грани блоков происходит отрыв потока, сопровождающийся пони-

жением давления и возникновением вакуума на поверхности

блоков. Под действием динамических нагрузок, обусловленных

этими явлениями, резко возрастала интенсивность вибрации блоков,

которая приводила к окончательному разрыву контактного шва

“скала – бетон”, или горизонтального строительного шва, или к обра-

зованию горизонтальных трещин. В эти швы или трещины прони-

кали гидродинамические силы, которые по вырывающему воз-

действию во много раз превышают вес блока в воде, т.е. и расчётные,

и натурные исследования показали, что в принятой конструкции

крепления дна колодца при воздействии больших энергий проис-

ходит его разгерметизация. Это приводит к разрушению, если сброс

потока производится через полностью открытые водосбросы. Боль-

шой удельный расход оказался недопустимым для принятой конст-

рукции. Случай разгерметизации дна колодца должен был бы стать

170

Рис

. 2.57

Режим

водохранилища

Саяно

Шушенской

ГЭС

холостых

сбросов

июле

августе

1988

года

171

одним из главных расчётных случаев при выборе варианта водо-

сбросного тракта, который неизбежно привёл бы к альтернативному

решению, так как в период расчётного срока службы сооружений

разгерметизация по тем или иным причинам неизбежна. Проект

же исходил лишь из одного предположения – 100% герметизации

дна колодца, которое хотелось получить в результате бескомпро-

миссно высоких требований к качеству работы и идеальных условий

эксплуатации колодца.

Проект работ по реконструкции III очереди водобойного ко-

лодца отличался от проектов I и II очереди тем, что предполагалось

получить наибольший эффект омоноличивания, благодаря закладке

в межблочные швы специальной цемарматуры и использованию

трубного охлаждения с целью цементации швов в наилучших тем-

пературных условиях. Кроме того, предполагалось участить шаг

анкеров; для обеспечения совместной работы блоков – установить в

швах опорные бетонные шпонки; в швах свежеукладываемых смеж-

ных блоков – установить металлические шпонки; на полосе 9-го и

10-го рядов – установить предварительно напряжённые анкера на

глубину до 20 м; на этой же полосе было рекомендовано выполнить

полимерное покрытие против секций 40-48 с целью защиты бетона

от кавитации и гидродинамического воздействия.

В результате притока фильтрационных вод со стороны ниж-

него бьефа работы всех трёх очередей выполнялись в условиях дос-

таточно сильного обводнения, что неблагоприятно сказывалось на

качестве работ. Более того, рекомендации по полимерному покрытию

по этой причине реализовать не удалось. Нельзя было быть уверен-

ным и в обеспечении герметизации межблочных швов – во-первых,

потому, что цементный камень и бетонные шпонки в швах должны

иметь усадку, а во-вторых, в швах между свежеуложенными блоками

и старыми, оставшимися от прежней конструкции плитами, невоз-

можно было восстановить металлические шпонки.

Работы по реконструкции водобойного колодца были завер-

шены в 1991 году.

Оценку эффективности мероприятий, реализованных при ра-

ботах III очереди по реконструкции дна колодца, могли дать лишь

натурные исследования, которые были выполнены в период дож-

девого паводка 1991 года при УВБ 540,25-540,10 м. Гидравлические

режимы отличались от натурных испытаний 1986 и 1988 г. тем, что

открытие каждого водосброса не превышало 25%, что снижало

результативность исследований, но сопоставительная оценка с

прежней была получена. Продолжительность работы водосбросов при

УВБ 540,25-540,10 была достаточно представительной (табл. 37).

При оценке принималось во внимание и то, что в период предыду-

щих натурных исследований в 1988 г. была установлена тенденция

172

увеличения вибрации блоков от продолжительности гидродина-

мического воздействия.

Таблица 37. Продолжительность работы водосбросов плотины

Саяно-Шушенской ГЭС при испытании водобойного колодца в 1991 г.

при расходе через ГЭС 1950-2100 м

/с

Рис. 2.58 Распределение энергии вертикальной вибрации блоков после

завершения ремонта дна колодца

Основные выводы из этих натурных исследований сводились

к тому, что виброперемещения блоков III очереди также носят

нестационарный характер, и их величина в вертикальном направ-

№ водосбросов (секций) 39 43 44 45 47

Продолжительность работы, час. 240 269 78 175 241

173

лении достигает 18 мкм, в горизонтальном – поперек потока –

16 мкм и вдоль потока 18 мкм. До 80% и выше энергии вибрации

сосредоточено, как и в предыдущих испытаниях, в полосе частот

0,7-2,0 Гц (рис. 2.58). Уровень вертикальной и горизонтальной

вибрации блоков III очереди в 3-7 раз превышает уровень, харак-

терный для блоков I и II очереди, что свидетельствует об отсутствии

связанности их с основанием и соседними блоками. Горизонтальные

вибрации, в особенности, характеризуют проникновение пульса-

ционного потока в межблочные швы, и потому это является под-

тверждением ошибочности проектных предположений о герме-

тизации швов благодаря их цементации. Из расчёта получено, что

понижение температуры бетона от охлаждения его сбрасываемым

потоком на 10

С по сравнению с температурой омоноличивания

швов приводит к их раскрытию на 45-50 мкм, достаточному для

активного проникновения гидродинамического воздействия. Анализ

результатов натурных исследований показывает, что при пропуске

через водобойный колодец потока, образующегося при открытии

каждого водосброса на 37% от полного, интенсивность его пульса-

ционного воздействия возрастет в 3-5 раз с соответствующим ростом

вибрации блоков крепления, но существенно меньшим, чем при

открытии 72% и 100%. Поскольку исключить раскрытие межблоч-

ных швов и контакта “скала – бетон” не удалось, то сохранения

целостности крепления, в результате осуществленного комплекса мер

при работах III очереди, можно ожидать лишь при воздействии потока,

если открытие водосбросов будет равно или менее 37%. Рассчитывать

на целостность крепления при продолжительном пропуске потока с

открытием водосбросов на 72% и 100% нельзя, поскольку главной

задачи – обеспечения герметизации швов – в таких масштабах на

практике решить невозможно, вопреки проектным предположениям.

В результате проектная организация вынуждена была принять

предложение эксплуатационников о режиме пропуска половодий с

частичным открытием отверстий водосбросов. Начиная с 1991 г.

холостые сбросы производятся с частичным подъёмом затворов

водосбросов, имеющих фиксированное положение ступеней 25%, 37%,

72% и 100%, соответствующих при НПУ расходам 200, 335, 715 и

1190 м

/с через одно отверстие.

В таблице 38 представлены проектные расчётные случаи

пропуска весенних половодий и дождевых паводков через Саяно-

Шушенскую ГЭС.

Если сопоставить реальные условия с расчётными данными

таблицы и ожидаемой надёжностью водобойного колодца, то можно

увидеть, что для его существующей конструкции достаточно гаран-

тированным можно считать только пропуск паводков и половодий

повторяемостью менее чем раз в 100-200 лет или на границе такой

обеспеченности притока – и только лишь с большой заблаговремен-

174

ностью открытия водосбросов, не превышая 37% открытия затворов.

После пропуска половодий более редкой повторяемости неизбежны

крупные ремонты дна колодца.

Таблица 38

В числителе – предполагаемый проектом расход при работе всех агрегатов

ГЭС, в знаменателе – расход при работе 7 агрегатов, исходя из недостаточной

пропускной способности электрической сети.

В результате поиска путей решения противоречивых задач –

обеспечения надёжной и эффективной эксплуатации гидроэнер-

гокомплекса при несопоставимой долговечности водобойного

колодца по сравнению с другими элементами гидроузла была сфор-

мулирована иная концепция режима водохранилища – щадящая,

отличающаяся от проектных предположений. Пропуск половодий

обеспеченностью 1% и менее должен начинаться значительно рань-

ше, чем по проектным предположениям, а пропуск дождевых павод-

ков при УВБ ниже НПУ.

На рисунке 2.59 представлены гидрографы в годы экстремаль-

ной приточности в августе-сентябре, выбранные из всего ряда

наблюдений, где достаточно четко прослеживается временна

′

я грани-

ца –10-15 сентября, до которой следует сохранять запас по уровню

водохранилища. Этот подход чреват тем, что, как уже было показа-

но, значительные погрешности долгосрочных гидрологических прог-

Вероятность

превышения

притока

(обеспечен-

Отметка

предполо-

водной

сработки

Приток,

/с

Максимальный сбрасываемый

расход, м

/с

Отметка

макси-

мального

уровня ВБ

при про-

ность), % водохра-

нилища, м

через ГЭС

через водо-

сбросы

суммар-

ный

пуске по-

ловодий, м

ПРОПУСК ВЕСЕННИХ ПОЛОВОДИЙ (МАЙ-ИЮНЬ)

0,01 500 24700

3400

2100

9900

11200

13300 544,5

0,1 500

18000 3400

2100

3600

4900

7000 540,0

1,0 500

13800 3400

2100

450

1750

3850 540,0

ПРОПУСК ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ (ИЮЛЬ-СЕНТЯБРЬ)

0,01 540 17100

3400

2100

9900

11200

13300 543,3

0,1 540 11800

3400

2100

3600

4900

7000 542,4

1,0 540 8900

3400

2100

3600

4900

7000 540,6

175

нозов и практическое отсутствие долгосрочных гидрометеопрогнозов

создают опасность не заполнения водохранилища до НПУ.

Рис. 2.59 Гидрографы маловодных и многоводных лет за наблюденный

период в августе-сентябре в створе Саяно-Шушенской ГЭС

92 – год наблюдения; 1 – среднемесячный расход притока;

2 – среднедекадный расход притока

176

Из рисунка 2.60 видно, что если сдерживать наполнение во-

дохранилища в период весенне-летнего половодья обеспеченностью

1% – кривая 1, для чего с большой заблаговременностью произво-

дить холостые сбросы (на графике период А), то в случае ошибки

прогноза притока воды (его завышение) водохранилище окажется

незаполненным и потери электроэнергии составят 4,6% от стои-

мости годовой её выработки. В этом случае водобойный колодец

будет работать в щадящем режиме, что исключает вероятность его

повреждения. Если же стремиться заполнить водохранилище –

кривая 2, то при ошибке прогноза притока воды (его занижение)

необходимо будет производить холостые сбросы при высоком уровне

ВБ (на графике период B), т.е. с большим удельным расходом, что

приведет к разрушению водобойного колодца. На ремонт колодца

потребуется произвести затраты, составляющие 62,8% от стоимости

годовой выработки электроэнергии (стоимость ремонта принята

равной фактическим затратам на восстановление колодца в 1986-

91 гг.). Из приведенных цифр очевидно, что щадящий режим, раз-

работанный эксплуатационной организацией для работы водобойного

колодца на основе совокупности опыта, расчётных и натурных

исследований, позволил наиболее эффективно решать задачу исполь-

зования водотока в сложившихся условиях.

Рис. 2.60 А – период потерь электроэнергии в результате недостаточной

достоверности прогноза и щадящего режима по интенсивности

заполнения водохранилища; B – период интенсивных холостых сбросов с

большими удельными расходами в водосбросном тракте

В последнее время появляются публикации, предлагающие

иные схемы гашения энергии сбрасываемого потока через Саяно-

Шушенскую плотину путём разделения его на несколько струй и их

177

столкновения, т.е. значительного гашения энергии потока до того,

как он будет сброшен в русло. Как всякая идея, такая точка зрения

имеет право на существование. Однако, на построенном сооружении

коренная его перестройка невозможна. Подобные предложения

могут возникнуть лишь у специалистов, плохо представляющих

проблему реконструкции сооружений в условиях сложившегося НДС

плотины, находящейся под нагрузкой. При этом намеренно игно-

рируется факт (либо отсутствует понимание) невозможности опорож-

нения водохранилища для реализации предложений по коренной

реконструкции плотины.

Коренным решением проблемы является – в реальных усло-

виях построенных плотины и водобойного колодца – сооружение

дополнительного водосброса. Только это позволит не допустить пре-

вышения гидродинамического давления под днищем колодца, ве-

личина которого не представляет опасности при удельном расходе

около 30 м

/с.

Ещё до разрушения колодца на Саяно-Шушенской ГЭС стали

известны случаи подобных аварий на плотинах Дворжак и Либби

(США), Нетцауалкойотль (Мексика) и на некоторых других. Однако

проектная организация не поставила перед собой задачу по поиску

альтернативных решений, которые легко могли быть реализованы в

период разворота строительно-монтажных работ, например, по

устройству дополнительного водосброса поверхностного типа на

правом берегу.

2.3 Организация натурных наблюдений и исследований

Развитие конструкций арочных плотин в мире происходило

одновременно с совершенствованием методов их расчётов, основой

которых были результаты натурных наблюдений НДС системы

“плотина – основание”, зачастую не совпадавшие с проектными

предположениями, а также аварии на ряде высоких плотин. Поэтому

усиление натурных наблюдений за высокими плотинами стало од-

ним из главных направлений, как в период строительства, так и при

организации эксплуатации гидроузлов. Только комплексные на-

турные наблюдения позволяют дать оценку проектным предпо-

ложениям и сформулировать поправки к принятым техническим

и организационным решениям при строительстве и эксплуатации

плотин, а также ввести ограничения, если начинают развиваться

опасные процессы в системе “плотина – основание – вмещающая

ГТС геологическая среда”.

178

Надзор за сооружениями важен в течение всей их жизни, а не

только в отдельные моменты, например, в период постановки пло-

тины под напор, которому часто отдаётся приоритет, хотя этот этап

действительно является исключительно ответственным.

Существующая система контроля, надзора и натурных наб-

людений в период строительства крупных гидротехнических со-

оружений, когда технический контроль за качеством осуществляет

подрядчик, технический надзор ведёт заказчик, а натурные наблю-

дения – проектная и научно-исследовательская организации, имеет

существенные недостатки. В ряде случаев имеет место параллелизм,

отсутствует преемственность, а главное – эта система в своей основе

не предполагает координации, т.е. она не имеет аналитического

центра. Ни авторский надзор, ни проектный институт в целом нести

такие функции не в состоянии. Примером остроты проблемы может

служить прецедент остановки службой заказчика всех бетонных

работ на плотине Красноярской ГЭС во избежание массового трещи-

нообразования, когда начало снижаться качество ухода за свеже-

уложенным бетоном. Другой пример – гидрологические наблюдения

проектной организации, обеспечивающие гидростанцию инфор-

мацией в период строительства, с началом постоянной её эксплуа-

тации прекращаются, а государственными гидрометеослужбами в

необходимой мере не осуществляются. Или ещё пример: службы

строительной организации, обеспечивающие контроль за термо-

напряженным состоянием бетонной кладки, но не имеющие цели

адаптировать результаты своих наблюдений к будущему периоду

эксплуатации гидротехнических сооружений.

Существующая система предусматривает деятельность службы

эксплуатации по натурным наблюдениям только на завершающем

этапе строительства, когда сооружения готовятся к сдаче приёмочной

комиссии. А до этого существующими правилами предусмотрено

обеспечивать эксплуатацию ГТС силами строительной организации.

Было бы целесообразным организовывать на стройке единый

центр контроля и натурных наблюдений под руководством заказ-

чика с самого начала строительства крупных гидротехнических со-

оружений, технические и правовые функции которого должны быть

чётко прописаны в контракте между подрядчиком, заказчиком и

проектной организацией.

На Красноярской ГЭС на ранней стадии строительства была

организована инженерно-геодезическая группа Ленгидропроекта с

целью накопления данных натурных наблюдений за деформациями

гидротехнических сооружений, для уточнения существующих

методов оценки деформационных свойств грунтов основания и для

расчёта ГТС на устойчивость, а также для контроля геодезическими